0 引言

為了全面了解和掌握某單葉立轉(zhuǎn)式活動(dòng)橋的安全運(yùn)行狀況，分析研判活動(dòng)橋液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸運(yùn)行工況，并制定其調(diào)整檢修參數(shù)，需要以亞毫米級(jí)精度測(cè)定活動(dòng)鋼橋支鉸軸系的相對(duì)位置關(guān)系。通過(guò)方案比選，確定采用激光跟蹤測(cè)量技術(shù)實(shí)施本項(xiàng)工作。

本項(xiàng)目作業(yè)區(qū)域橫跨水面，臨空作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)高，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)困難；其次，測(cè)量視線被遮擋，控制點(diǎn)及測(cè)站布設(shè)位置受限。諸多不利因素給保證測(cè)量精度、順利完成工作帶來(lái)了極大阻礙。

現(xiàn)場(chǎng)工作選擇在陰天無(wú)風(fēng)的時(shí)段觀測(cè)，并通過(guò)合理選擇測(cè)站位置、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件布設(shè)測(cè)量控制點(diǎn)等手段，較好地完成了工作，為激光跟蹤測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)較好的案例。

1 激光跟蹤測(cè)量技術(shù)

激光跟蹤儀是一種高精度空間極坐標(biāo)光電測(cè)量?jī)x器，出現(xiàn)于上世紀(jì)八十年代末[1]。發(fā)明該儀器的初衷是為了提高航天器零部件的拼接精度、降低對(duì)測(cè)量工作者的要求和勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。目前，激光跟蹤儀已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船、機(jī)械制造、核工業(yè)等精密工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。2010年前后，隨著具有絕對(duì)激光測(cè)距功能的小型激光跟蹤儀的出現(xiàn)和推廣應(yīng)用，激光跟蹤儀由精密工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域逐漸拓展應(yīng)用到精密工程測(cè)量領(lǐng)域。

激光跟蹤儀由激光測(cè)距系統(tǒng)、角度測(cè)量系統(tǒng)、跟蹤控制系統(tǒng)等主要部分組成，配合使用靶球等光學(xué)目標(biāo)反射器，實(shí)時(shí)跟蹤并精確測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[3]。激光跟蹤儀通常采用自由設(shè)站方式工作，其測(cè)站三維坐標(biāo)通過(guò)邊角后方交會(huì)方法獲得[4]。在多測(cè)站工作模式下，通過(guò)測(cè)設(shè)高精度控制網(wǎng)將各測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系。

在測(cè)量精度控制方面，氣溫、氣壓和空氣濕度對(duì)電磁波測(cè)距有較大影響[5]；另外，研究表明，空氣擾動(dòng)對(duì)激光跟蹤儀測(cè)量精度有顯著影響[6]。因此，激光跟蹤儀通常工作于實(shí)驗(yàn)室、工廠廠房等室內(nèi)環(huán)境條件下，其原因在于室內(nèi)環(huán)境下的不利因素易于控制，有利于保證測(cè)量精度。

我國(guó)激光跟蹤儀的應(yīng)用始于上世紀(jì)九十年代中期，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了廣泛的應(yīng)用研究?？旅鞯萚7]使用激光跟蹤儀完成了北京同步輻射裝置測(cè)量的控制網(wǎng)測(cè)設(shè)工作，并對(duì)其測(cè)量精度和可靠性作了深入分析；梁靜等[8]在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆至探測(cè)器三維距離測(cè)量工作中，采用全球定位儀、全站儀及激光跟蹤儀聯(lián)合測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，取得了滿意的結(jié)果；吳佳秀[9]將激光跟蹤儀成功應(yīng)用于白鶴灘百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組的定子沖片疊檢。

2 工程概況及測(cè)量準(zhǔn)備

本項(xiàng)目工作需要測(cè)量某單葉立轉(zhuǎn)式活動(dòng)橋在全關(guān)、半開、全開等三個(gè)工況下的三對(duì)支鉸軸的相對(duì)位置關(guān)系。

該活動(dòng)橋橋體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)27.30m，支撐跨度22.50m，橋面寬9.00m，支鉸跨度為6.00m，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 活動(dòng)橋下游立面圖

活動(dòng)橋勘查情況如圖2、圖3所示。

圖2 上游勘查位

圖3 下游勘查位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，各支鉸軸兩端面都有中心孔，但缺乏相關(guān)技術(shù)資料，為此，除了測(cè)量軸心孔坐標(biāo)，還需測(cè)量支鉸軸兩端面圓周和軸端平面。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在右岸橋臺(tái)處布置4個(gè)測(cè)站，其中，兩個(gè)測(cè)站分別位于橋體上下游側(cè)的橋臺(tái)下方側(cè)墻上，另外兩個(gè)分別位于橋體上下游側(cè)的橋臺(tái)頂面。

為了在橋臺(tái)下方側(cè)墻上設(shè)站，專門制作了兩個(gè)儀器支座，其安裝位置如圖4所示。

圖4 橋下測(cè)站位置

現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)10個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)。其中，9個(gè)控制點(diǎn)位于橋體支鉸和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)底支鉸位置的橋臺(tái)邊緣，1個(gè)控制點(diǎn)位于離橋體較遠(yuǎn)的平臺(tái)邊緣位置。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)站及控制點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測(cè)站及控制點(diǎn)布置示意圖

另外，在活動(dòng)橋橋體上下游側(cè)的鋼梁兩端各設(shè)置1個(gè)固定標(biāo)志點(diǎn)，用于測(cè)量活動(dòng)橋開啟過(guò)程中的橋體偏轉(zhuǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及精度

觀測(cè)時(shí)段：12時(shí)～24時(shí)；現(xiàn)場(chǎng)天氣：陰間晴天，無(wú)風(fēng)。觀測(cè)全過(guò)程氣象條件統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量氣象條件統(tǒng)計(jì)

工作過(guò)程中，從測(cè)站1到測(cè)站4位置依次設(shè)站觀測(cè)，每個(gè)測(cè)站先觀測(cè)控制點(diǎn)，再觀測(cè)支鉸軸圓周點(diǎn)、軸端平面點(diǎn)、軸孔點(diǎn)及橋體標(biāo)志點(diǎn)等，最后校核部分控制點(diǎn)。

為了到達(dá)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)頂支鉸位置，使用65T汽車吊懸掛吊籃輔助，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量如圖6所示。

圖6 頂支鉸軸測(cè)量

觀測(cè)完成之后，進(jìn)行平差計(jì)算，控制點(diǎn)測(cè)量不確定度均小于0.1mm，說(shuō)明觀測(cè)精度良好。

4 支鉸軸觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

每個(gè)支鉸軸端面的測(cè)量數(shù)據(jù)包括中心孔坐標(biāo)、端面平面觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和軸端圓周觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。首先選取軸端面平面觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平面擬合；再將軸端圓周觀測(cè)點(diǎn)投影至該平面，然后進(jìn)行圓周擬合，獲得該軸端的擬合直徑和中心點(diǎn)坐標(biāo)，最后校核中心孔實(shí)測(cè)坐標(biāo)。

所有支鉸軸端面數(shù)據(jù)處理完成后，以橋體全關(guān)工況下的測(cè)量值為基準(zhǔn)建立右手坐標(biāo)系：取液壓?jiǎn)㈤]機(jī)兩個(gè)底支鉸的平均高程為零高程；兩個(gè)橋體支鉸軸中心點(diǎn)的連線為X軸方向，上游方向?yàn)槠湔较?；坐?biāo)系Y軸方向過(guò)兩個(gè)橋體支鉸軸中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)，右岸方向?yàn)槠湔较颉?/p>

5 觀測(cè)質(zhì)量分析

支鉸軸觀測(cè)數(shù)據(jù)處理完成后，比較了各支鉸軸三次測(cè)量結(jié)果，用以評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)質(zhì)量。相關(guān)數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 支鉸軸擬合直徑比較表 mm

根據(jù)表2，各軸三次直徑測(cè)量結(jié)果最大相差0.16mm，最小相差0.01mm，平均差值0.10mm。

根據(jù)平差處理結(jié)果和表2數(shù)據(jù)，本次測(cè)量精度良好、成果可靠。

6 活動(dòng)橋運(yùn)行姿態(tài)分析

活動(dòng)橋在全關(guān)、半開和全開工況下的支鉸軸位置見表3、表4、表5。

表3 全關(guān)工況下的支鉸中心坐標(biāo) mm

表4 半開工況下的支鉸中心坐標(biāo) mm

表5 全開工況下的支鉸中心坐標(biāo) mm

全關(guān)工況是活動(dòng)橋的初始狀態(tài)，從表3可以看出，橋體上下游支鉸和啟閉機(jī)底支鉸位置（橋長(zhǎng)方向）和高程相差不大，但上下游啟閉機(jī)頂支鉸在橋長(zhǎng)方向相差3.95mm，高程相差1.81mm。

根據(jù)表3、表4、表5，相對(duì)于全關(guān)工況，橋體支鉸軸和啟閉機(jī)底支鉸軸在半開和全開工況下有亞毫米級(jí)位移，且最大位移發(fā)生在半開工況下（見表6）。

表6 相對(duì)于全關(guān)工況的支鉸位移 mm

顯然，在活動(dòng)橋開啟過(guò)程中，橋體支鉸軸和啟閉機(jī)底支鉸軸不可避免地發(fā)生輕微晃動(dòng)。

上述數(shù)據(jù)分析表明，活動(dòng)橋在開啟過(guò)程中，其橋體逐漸向上游偏轉(zhuǎn)，而其橋面則向下游偏斜（半開時(shí)偏斜較大，全開時(shí)基本回正）。

設(shè)置在橋體上下游側(cè)鋼梁兩端的4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)組成兩條標(biāo)志線，根據(jù)其測(cè)量值計(jì)算的橋體偏轉(zhuǎn)方向與上述分析相符，見表7。

表7 橋身偏轉(zhuǎn)角度

7 結(jié)論

①本項(xiàng)目工作全過(guò)程的氣溫、氣壓和空氣濕度變化都比較大，但根據(jù)精度分析結(jié)果，激光跟蹤儀的精度表現(xiàn)良好。②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，合理選擇設(shè)站位置，克服了視線阻擋難題；同時(shí)，布設(shè)足夠多的控制點(diǎn)，保證了測(cè)量精度和可靠性。③選擇合適的天氣條件、增加校核條件、多方校核測(cè)量結(jié)果也是保證測(cè)量精度的成功經(jīng)驗(yàn)之一。